钛表面冷凝特性研究及通用冷凝传热模型建立

钛制换热设备在石油、化工、能源等领域应用日益广泛,然而钛制换热冗件的传热性能,特别是冷凝传热性能方面的研究,明显落后于工业应用进程。目前,对纯钛表面的冷凝形态存在滴状和膜状冷凝两种迥然不同的观点,从而影响了经济高效钛冷凝器的设计与应用。鉴于此,本文对钛表面冷凝传热特性进行了深入分析,并进一步探索开发高效的表面改性强化传热技术,使蒸汽在钛改性表面形成不同的冷凝形式。在实验基础上,通过理论分析建立了基于分形理论的通用滴膜共存冷凝传热模型,并将滴膜共存模型应用于钛-水两相闭式热虹吸管冷凝段的传热分析。主要研究内容及结论如下：(1)设计、搭建了垂直试板表面冷凝传热特性评价实验系统,对蒸汽在钛表面的冷凝形态和传热特性进行了可视化实验研究。蒸汽在纯钛及热氧化表面呈滴膜共存的冷凝形式,且200℃热氧化表面传热效果最好,冷凝传热系数较纯钛表面提高10%以上。而蒸汽在双氧水氧化表面及氢氟酸刻蚀后双氧水氧化表面可保持较稳定的滴状冷凝,且后者经两步法表面改性后,冷凝传热效果更佳,分别达纯钛表面的1.8倍和2.3倍。(2)通过分析发现氧化膜是导致钛表面能降低的主要原因。纯钛表面氧化膜极薄且存在大量氧空穴,经200℃热氧化后,氧化膜增厚且氧与表面Ti原子结合,迅速填补了氧化层中氧空穴形成桥位氧,导致表面能下降；但随着热氧化温度的升高,Ti-O键发生断裂,表面氧空穴增多,表面能反而升高。而双氧水氧化表面及氢氟酸刻蚀后双氧水氧化表面所形成的纳米结构的氧化膜导致其表面能大幅降低,且经两步处理表面形成的微、纳米双重粗糙度结构,具有更低的表面能,是其表面始终保持滴状冷凝形态的主要原因。(3).与纯蒸汽相比,乙醇-水混合介质更易在纯钛表面形成和保持滴状冷凝；对于纯钛表面,冷凝传热系数随乙醇浓度呈先增后降趋势,当乙醇浓度为8%时,可获得最佳的冷凝传热强化效果,约为纯蒸气的1.3倍。对同一浓度混合介质,随着过冷度的增大,冷凝形态逐渐从滴状转变为非球形滴状冷凝,直至最后转变为沟流形态。此外,蒸气流速对低浓度混合介质的影响较为显著。(4)基于液滴在冷凝表面的分形分布特性,考虑接触角对分形维数的影响建立液滴分布函数,进而建立不同接触角表面通用滴状冷凝传热模型。根据滴状区面积比率η的不同,提出将膜状区的传热分别按照沟流传热模型(η≥50%)和Nusselt竖壁层流传热模型(η<50%)进行计算,从而建立了通用滴膜共存冷凝传热模型。模型与文献数据及本文试验结果吻合较好。适当选取接触角范围,可将大部分文献数据包含在模型内,较为合理地解释了不同文献数据存在差异的原因。(5)突破以往计算热管冷凝段传热都是按膜状冷凝传热模型进行计算的思路,引入滴膜共存概念,同时考虑到热管内真空度和气液界面剪切应力对热虹吸管冷凝段传热的影响,建立了基于滴膜共存冷凝形态的热虹吸管冷凝段传热模型。(6)开发、设计了钛-水两相闭式热虹吸管,并自制试验系统进行了热虹吸管传热性能的试验研究。通过实验和理论分析得到,钛-水热虹吸管冷凝段换热系数明显高于铜-水、碳钢-水热虹吸管,而基于滴膜共存冷凝形态建立的热虹吸管冷凝段传热模型与实验结果的吻合度较高。采用本文建立的模型模拟冷凝段传热,比采用Nusselt竖直壁面膜状冷凝模型更为符合管内冷凝实际情况,更能反映钛制热管内蒸气的冷凝传热规律。